KR102436931B1

KR102436931B1 - 반도체 소자 신뢰성 시험장치 및 그의 구동방법

Info

Publication number: KR102436931B1
Application number: KR1020210139839A
Authority: KR
Inventors: 강인호; 김영조; 나문경; 정현진
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2022-08-25

Abstract

본 발명은 반도체 소자 신뢰성 시험장치 및 그의 구동방법에 관한 것으로서, 상기 반도체 소자 신뢰성 시험장치는 제1 정밀 파워서플라이와; 제2 정밀 파워서플라이와; 상기 제1 전극과 제1 정밀 파워서플라이 사이에 연결되는 제1-1 릴레이와; 상기 제2 전극과 제2 정밀 파워서플라이 사이에 연결되는 제2-1 릴레이와; 제1-2 릴레이, 제 2-2 릴레이로 연결되는 반도체 분석기와; 전류센싱회로와; 상기 전류센싱회로의 측정 누설전류를 통해 기준 설정값 이상의 전류가 흐르면 상기 제1-1 릴레이 및/또는 제1-2 릴레이에 접속 차단신호를 전달하는 마이컴과; 상기 마이컴와 통신 연결되어 상기 마이컴에 릴레이 제어정보를 전달시키는 컴퓨터를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 소자 신뢰성 시험장치 및 그의 구동방법{Semiconductor device reliability testing apparatus and driving method thereof}

본 발명은 반도체 소자에 바이어스와 온도 스트레스를 인가하여 소자의 신뢰성을 평가하기 위한 반도체 소자 신뢰성 시험장치 및 그의 구동방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 시험할 반도체 소자에 바이어스 스트레스를 인가하고 특정 시간마다 반도체 소자의 다양한 전기적 특성을 계측할 수 있으며 불량이 발생했을시 다른 시험 소자에 영향을 미치지 않도록 바이어스 스트레스를 차단할 수 있으므로반도체 소자의 불량원인 분석 및 수명 예측이 가능한 장치에 관한 것이다.

반도체 신뢰성을 시험하기 위한 방법은 다양하지만 대부분의 반도체 소자, 특히 전력반도체 소자에서는 바이어스 스트레스와 온도 스트레스를 시험 소자에 동시에 인가하여 특정 시험시간 동안 시험하여 불량 발생 유무를 판별하는 방법, 즉 고온 게이트 바이어스 (High Temperature Gate Bias) 혹은 고온 역방향 바이어스 (High Temperature Reverse Bias) 시험법이 자주 사용된다. 이러한 시험 방법은 반도체 소자가 응용제품에서 적용될 때보다 가혹한 온도 혹은 바이어스 조건을 인가함으로써 응용제품에서 어느 정도까지 동작할 수 있을지 판별하는 수명예측도 가능하게 만든다. 따라서 수명예측은 높은 신뢰성을 요구하는 제품, 예를 들면 전기 이동수단(e-mobility), 항공기, 전동차, 산업용 모터구동 등과 같은 응용에 사용되는 반도체 소자에서는 필수적으로 요구되는 사양이다. 또한 이러한 제품군에 사용되는 반도체 소자를 개발하는 과정에서 신뢰성 시험 과정에서 발생하는 불량원인을 정확하게 분석하여 피드백할 수 있는 능력은 반도체 제조업체의 경쟁력과도 밀접한 관계를 가진다.

도 1은 종래의 반도체 신뢰성 시험장비를 보여주고 있다.

종래의 기술은 신뢰성시험의 대상인 반도체소자(120)를 고온 챔버 속에 넣고 반도체소자의 제1 전극(125, 게이트)에 전압을 인가하거나(High temperature gate bias 테스트) 제2 전극(123, 드레인)에 전압을 인가하고(high temperature drain bias 테스트) 지정된 시간동안 방치하여 시험이 끝난 후 소자의 전기적 특성을 측정하여 고장유무를 판단한다.

일반적으로 신뢰성시험을 위해서는 다량의 시험소자(Device Under Test: DUT)를 동시에 시험해야 하므로 단위 시험 소자를 위한 테스트 지그(120)를 파워 서플라이(120-1, 120-2)에 병렬로 연결하기도 한다.

이 경우, 병렬로 연결된 소자 하나에서 고장이 발생하여 과도한 전류가 흐르면 파워 서플라이에서 고장이 발생하거나 전압이 낮아지는 현상이 발생할 수 있어 전류 제한을 위한 퓨즈(12-1, 12-2) 혹은 전류제한 회로를 연결한다.

이러한 종래의 기술은 반도체소자의 고장을 중간에 관찰할 수 없어 수명예측이 불가능하다. 또한 고장원인 분석을 위해 반도체소자의 특성변화를 관찰하기 위해서는 시험 중간에 챔버온도를 낮추고 실온상태에서 특성을 계측해야 하므로 테스트 시간을 증가시키며 테스트 정확도를 떨어뜨리는 문제가 발생한다.

도 2는 종래의 기술 1의 문제 일부를 해결하기 위한 기술을 보여준다.

시험과정에서 고장판별이 가능하도록 만들기 위해 다수 개의 테스트 지그(1')마다 전류센싱회로(30')를 탑재하고 이들을 외부 마이컴(40') 보드에 연결한다.

전류센싱회로(30')는 개별 시험소자(10')의 전류를 측정하여 고장이 발생하면, 즉 누설전류가 기준값 이상으로 증가하면 마이컴(40')에 신호를 보내고 마이컴(40')은 릴레이(10-11', 10-21')에 신호를 보내어 파워서플라이(100', 200')에서 공급되는 전원을 차단하여 상기 도 1의 퓨즈와 같은 역할을 수행한다.

또한 마이컴(40')은 시험시간 및 소자고장 정보를 컴퓨터(50')에 전달하여 고장시간을 기록한다.

이와 같이 종래의 기술 2는 다수 개의 시험소자(10')를 시험할 수 있는 이점이 있으며, 시험 과정에서 특정 시험소자(10')의 고장이 발생하더라도 해당 시험소자(10')만 전원공급을 차단하며, 시험소자(10')의 고장시간과 시간에 대한 누설전류의 변화추이 등에 대한 정보를 얻을 수 있어 수명예측을 위한 시험정보를 획득하기 용이한 이점이 있다.

하지만 종래의 기술 2는 시험소자(10')의 누설전류값에 대한 변화만을 관찰할 수 있으며, 시험시간 중 온도나 바이어스 스트레스 상태에서 온라인 상태로 반도체 소자의 다양한 파라미터 변화를 모니터링할 수는 없는 문제점이 있다.

따라서, 종래의 기술 2의 경우, 시험 중 시험소자(10')의 다양한 전기적 성능에 대한 변화를 관찰하기 위해서는 시험 중간에 챔버 온도를 낮추어 실온상태에서의 계측해야하며, 이러한 과정은 전체 시험시간을 증가시키고 테스트의 정확도를 떨어뜨리는 문제점이 있다.

[0001] 대한민국 등록특허 10-063346 반도체 디바이스의 검사방법 [0002] 대한민국 특허공개 10-2008-0113987 실시간으로 반도체 소자의 불량 여부를 검사할 수 있는고온 역바이어스 테스트 장비 [0003] 대한민국 등록특허 10-0576492 패키지 레벨에서 반도체 소자의 내부 ＤＣ 바이어스 측정장치

2019 IEEE 7th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), pp.196-199 IEEE Trnas. Electron Devices, vol. 55, pp.1835

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 반도체 소자의 신뢰성 시험 과정에서 온도나 바이어스 스트레스 상태하에서 온라인 상태로 복수 개의 시험소자의 다양한 전기적 특성을 계측하여 신뢰성 시험시간을 감소시키며 시험 과정에서 발생한 불량을 쉽게 확인하고 분리할 수 있는 반도체 소자 신뢰성 시험장치 및 그의 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전력반도체 소자의 신뢰성시험을 위한 시험소자의 제1 전극에 전원 스트레스를 공급하는 제1 정밀 파워서플라이와; 제 2전극에 전원 스트레스를 공급하는 제2 정밀 파워서플라이와; 상기 제1 전극과 제1 정밀 파워서플라이 사이에 연결되는 제1-1 릴레이와; 상기 제2 전극과 제2 정밀 파워서플라이 사이에 연결되는 제2-1 릴레이와; 상기 제1 전극과 제1-2 릴레이로 연결되고, 상기 제2 전극과 제 2-2 릴레이로 연결되어, 반도체 시험 중 시험소자의 전기적 특성 파라미터를 계측하는 반도체 분석기와; 상기 시험소자의 제3 전극에 연결되어 상기 시험소자의 누설전류를 측정하는 전류센싱회로와; 상기 전류센싱회로의 측정 누설전류를 통해 기준 설정값 이상의 전류가 흐르면 상기 제1-1 릴레이 및/또는 제1-2 릴레이에 접속 차단신호를 전달하는 마이컴과; 상기 마이컴와 통신 연결되어 상기 마이컴에 릴레이 제어정보를 전달시키는 컴퓨터를; 포함하여 구성되며, 상기 시험소자와; 시험소자의 제1 전극에 연결되는 제1-1, 제1-2 릴레이; 제2 전극에 연결되는 제2-1, 제2-2 릴레이; 제3 전극에 연결되는 전류센싱회로로 형성되는 단위 테스트 지그 및 복수 개의 단위 테스트 지그를 상기 제1 정밀 파워서플라이와 제2 정밀 파워서플라이 및 마이컴에 병렬 연결시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치를 기술적 요지로 한다.

본 발명의 상기 컴퓨터는 상기 제1 정밀 파워서플라이, 제2 정밀 파워서플라이 및 반도체 분석기와 연결되어 작동 제어시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 컴퓨터는 상기 반도체 분석기에서 측정된 단위 테스트 지그의 전기적 특성 파라미터가 미리 설정된 전기적 특성 파라미터 이상이 되면, 해당 단위 테스트 지그의 릴레이 제어정보를 출력하여 해당 단위 테스트 지그에 바이어스 전원을 차단시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마이컴은 상기 컴퓨터의 릴레이 제어정보와 상기 전류센싱회로의 센싱정보 중 어느 하나가 입력되면 상기 제1-1, 제2-1 릴레이에 off 신호를 출력시켜 해당 단위 테스트 지그에 바이어스 전원을 차단시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마이컴에는 타이머가 내장되어 테스트 시간 기록이 실행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반도체 소자 신뢰성 시험장치는 내부 온도를 제어하는 온도제어장치가 포함된 챔버에서 테스트 실행되며, 상기 컴퓨터는 상기 온도제어장치를 제어하여 테스트 환경을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치로 되는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한, 상기 반도체 소자 신뢰성 시험장치 구동방법으로서, 제1 정밀 파워서플라이, 제2 정밀 파워서플라이, 반도체 분석기, 제1-1, 제1-2 릴레이 및 제2-1, 제2-2 릴레이를 off 시킨 초기화 상태에서 챔버의 온도를 설정하는 단계(S1)와; 마이컴로 각 단위 테스트 지그 시험소자의 제1 전극 및/또는 제2 전극에 바이어스 전원을 인가시키는 제어명령을 출력시키는 단계(S2)와; 상기 마이컴에서 각 단위 테스트 지그의 누설전류 측정값과 미리 설정된 허용전류값을 비교하는 단계(S3)와; 상기 누설전류 측정값이 허용전류값 보다 크거나 같은 단위 테스트 지그가 발생되는 경우 해당 단위 테스트 지그의 바이어스 전원을 차단시키는 단계(S4); 누설전류 측정값이 허용전류 설정값 보다 작은 경우, 측정시간과 미리 설정된 파라미터계측시간을 비교하는 단계(S5); 측정시간이 파라미터계측시간보다 작은 경우에는 상기 단계(S3)로 복귀하여 누설전류 측정값과 미리 설정된 허용전류값을 반복 비교되게 하는 단계(S6); 측정시간이 파라미터계측시간보다 같거나 큰 경우에 각 단위 테스트 지그의 제1-2 릴레이 및/또는 제2-2 릴레이 제어명령을 출력시켜, 반도체 분석기에서 각 단위 테스트 지그의 전기적 특성파라미터가 측정되게 하는 단계(S7); 전기적 특성파라미터와 미리 설정된 파라미터를 비교하는 단계(S8); 전기적 특성파라미터가 미리 설정된 파라미터를 초과하는 단위 테스트 지그가 발생되는 경우 해당 단위 테스트 지그의 바이어스 전원을 차단시키는 단계(S9); 전기적 특성파라미터가 미리 설정된 파라미터를 초과하지 않는 경우, 전체 바이어스 스트레스 시간이 미리 설정된 시험시간값을 초과하는지를 판단하는 단계(S10); 전체 바이어스 스트레스 시간이 미리 설정된 시험시간값을 초과하지 않는 경우, 단계(S3)로 복귀하여 누설전류 측정값과 미리 설정된 허용전류값을 반복 비교되게 하는 단계(S11); 전체 바이어스 스트레스 시간이 미리 설정된 시험시간값을 초과하는 경우, 각 단위 테스트 지그의 시험을 종료하는 단계(S12);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치 구동방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.

본 발명의 상기 단계(S5)에서 각 단위 테스트 지그의 파라미터계측시간은 각 단위 테스트 지그의 제1-2 릴레이 및/또는 제2-2 릴레이가 상기 반도체 분석기에 순차 연결되도록 독립 설정되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치 구동방법으로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단계(S4)와 상기 단계(S9)의 바이어스 전원 차단은 상기 단계(S4)와 상기 단계(S9)가 동시에 실행될 때 수행되어 누설전류가 갑자기 증가하는 돌출 노이즈(spike noise)에 대비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치 구동방법으로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단계(S4)의 바이어스 전원 차단은 상기 마이컴에 설정된 횟수 이상 연속적으로 불량 판단이 발생되는 것을 조건으로 실행되어 누설전류가 갑자기 증가하는 돌출 노이즈(spike noise)에 대비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치 구동방법으로 되는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 의하여 반도체 소자의 신뢰성 시험 과정에서 온도나 바이어스 스트레스 상태하에서 온라인 상태로 복수 개의 시험소자의 다양한 전기적 특성을 계측하여 신뢰성 시험시간을 감소시키며 시험 과정에서 발생한 불량을 쉽게 확인하고 분리할 수 있는 반도체 소자 신뢰성 시험장치 및 그의 구동방법이 제공되는 이점이 있다.

도 1은 종래기술방식의 반도체 소자 신뢰성 시험장치 기술1의 구성도
도 2는 종래기술방식의 반도체 소자 신뢰성 시험장치 기술2의 구성도
도 3은 본 발명의 반도체 소자 신뢰성 시험장치 단위 구성도
도 4는 본 발명의 반도체 소자 신뢰성 시험장치 전체 구성도
도 5는 본 발명의 반도체 소자 신뢰성 시험장치 실시 흐름도

이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하의 도 3은 본 발명의 반도체 소자 신뢰성 시험장치 단위 구성도이며, 도 4는 본 발명의 반도체 소자 신뢰성 시험장치 전체 구성도이며, 도 5는 본 발명의 반도체 소자 신뢰성 시험장치 실시 흐름도이다.

이하 도 3을 참고하여 본 발명의 구조에 대하여 살펴보기로 한다.

도 3에 도시된 본 발명에서 신뢰성시험의 대상인 반도체소자는 고온 챔버 속에 넣고 반도체소자의 제1 전극(10-1)(게이트)에 전압을 인가하거나(High temperature gate bias 테스트) 제2 전극(10-2)(드레인)에 전압을 인가하고(high temperature drain bias 테스트) 지정된 시간동안 방치하여 시험한다.

이하, 상기 신뢰성시험의 대상인 반도체소자를 시험소자(10: Device Under Test: DUT)로 통일적 기재하기로 한다.

도 3에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 상기 시험소자(10)의 제1 전극(10-1)에 전원 스트레스를 공급하는 제1 정밀 파워서플라이(100)가 연결되고, 제2 전극(10-2)에 전원 스트레스를 공급하는 제2 정밀 파워서플라이(200)가 연결되며, 상기 제1 전극(10-1)과 제1 정밀 파워서플라이(100) 사이에는 제1-1 릴레이(10-11)가 연결되며, 상기 제2 전극(10-2)과 제2 정밀 파워서플라이(200) 사이에는 제2-1 릴레이(10-21)가 연결된다.

상기 시험소자(10)의 제3 전극(10-3)에는 상기 시험소자(10)의 누설전류를 측정하는 전류센싱회로(30)가 연결되고, 상기 전류센싱회로(30)의 측정 누설전류를 통해 기준 설정값 이상의 전류가 흐르면 상기 제1-1 릴레이(10-11)와 제2-1 릴레이(10-21)에 접속 차단신호를 전달하는 마이컴(40)이 연결된다.

본 발명에서 사용하는 시험방법들은 반도체 소자의 누설전류의 크기를 비교하여 불량을 분석하므로, 상기 제1 정밀 파워서플라이(100)와 제2 정밀 파워서플라이(200)는 전류용량이 크지 않아도 되며, 바람직하게는 시험하는 최대전압에서 1mA 정도의 여유능력이 있으면 좋다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 N개의 시험소자(10)가 제1 정밀 파워서플라이(100)와 제2 정밀 파워서플라이(200)에 병렬로 연결되어 있을 때에는 개별 시험소자(10)의 불량판별 누설전류값의 N배 이상의 전류를 공급할 수 있어야 하며, 바람직하게는 1.5N~2.0N 배의 전류를 공급할 수 있어야 한다.

또한, 정전류 동작 모드와 같은 보호 기능이 내장되어 소자 불량이 발생했을 때, 특히 소자가 파괴되었을 때 급격하게 전류가 증가하는 것을 방지할 수 있는 것이 좋다.

상기 전류센싱회로(30)는 보호회로가 내장되어, 개별 시험소자에 흐르는 전류를 측정하고 제한시키기 위해 사용된다.

전류센싱회로(30)는 마이컴(40)에서의 ADC(아날로그-디지털변환) 과정에서의 신호대잡음비를 높이기 위해 전류신호를 증폭시키며 주로 트랜스임피던스 증폭기를 많이 사용한다.

상기 증폭기 이득은 지나치게 크게 만들지 않으며 마이컴의 ADC의 최대 입력전압 및 해상도를 고려하여 최대 측정전류값이 ADC의 최대 입력전압을 넘지 않게 설계해야 한다.

상기 보호회로는 저항 및 제너다이오드를 이용하여 상기 증폭기를 보호하도록 설계되는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성되는 본 발명에는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제1 전극(10-1)과 제1-2 릴레이(10-12)로 연결되고, 상기 제2 전극(10-2)과 제2-2 릴레이(10-22)로 연결되어, 반도체 시험 중 시험소자(10)의 전기적 특성 파라미터를 계측하도록 구성된 반도체 분석기(300)가 추가되는 특징이 있다.

또한 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 시험소자(10)의 제1 전극(10-1)에는 제1-1 릴레이(10-11)와 제1-2 릴레이(10-12)가 연결되고, 제2 전극(10-2)에는 제2-1 릴레이(10-21)와 제2-2 릴레이(10-22)가 연결되며, 제3 전극(10-3)에 전류센싱회로(30)가 연결된 단위 테스트 지그(1)를 형성시켜, 복수 개의 단위 테스트 지그(1)를 상기 제1 정밀 파워서플라이(100)와 제2 정밀 파워서플라이(200) 및 마이컴(40)에 병렬 연결시켜 구성되는 특징이 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 각 단위 테스트 지그(1)의 누설전류가 독립적으로 마이컴(40)에 측정되면서, 마이컴(40)에 의해 독립적으로 릴레이 제어되는 특징이 있다.

상기 마이컴(40)은 측정된 누설전류를 통해 기준 설정값 이상의 전류가 흐르거나 상기 반도체 분석기(300)에서 얻어진 파라미터가 기준 설정값 이상이 되면 제1-1 릴레이(10-11) 및/또는 제1-2 릴레이(10-12)에 신호를 보내어 바이어스 전원이 차단되게 하는 기능을 수행한다.

상기 마이컴(40)은 각 단위 테스트 지그(1)의 전류센싱회로(30)에서 받은 신호를 디지털신호로 변환하는 ADC와 각 릴레이를 제어하기 위한 GPIO(general purpose input ouput)들로 구성된다.

ADC는 최소 12비트 이상의 해상도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 마이컴(40)은 컴퓨터(50)와의 통신이 가능하도록 통신기능을 포함한다.

상기 컴퓨터(50)는 상기 마이컴(40)으로 각 릴레이 제어정보를 전달시킬 수 있으며, 각 단위 테스트 지그(1)의 누설전류 및 파라미터 값을 저장 및 분석하며 상기 파라미터 일부를 이용하여 각 릴레이들에 연결 재설정을 명령하고, 후술하는 챔버온도 및 상기 제1 정밀 파워서플라이(100)와 제2 정밀 파워서플라이(200)를 구동제어한다.

시험소자(10)의 불량판단시 마이컴에서 우선적으로 정확한 불량 발생시간을 산출하기 위해 마이컴(40) 내부에 타이머 기능이 포함되는 것이 바람직하다.

또한 상기 제1 정밀 파워서플라이(100)와 제2 정밀 파워서플라이(200)에 직접 연결되어 시험소자(10)의 스트레스 바이어스를 설정하거나, 최대 전류를 설정하거나, 상기 반도체 분석기(300)에 직접 연결되어 측정과 관련된 명령어를 보내고 측정결과를 획득할 수 있게 한다.

상기 마이컴(40)에는 상기 컴퓨터(50)의 릴레이 제어정보와 상기 전류센싱회로(30)의 누설전류 초과정보 중 어느 하나가 입력되면 해당 단위 테스트 지그(1)의 제1-1 릴레이(10-11) 및/또는 제2-1 릴레이(10-21)에 off 신호를 출력시키는 or게이트 회로가 포함되는 것이 바람직하다.

상기 컴퓨터(50)는 상기 반도체 분석기(300)에서 계측한 단위 테스트 지그(1)의 전기적 특성 파라미터가 기준 설정값 이상이 되면, 해당 단위 테스트 지그(1)의 릴레이 제어정보를 마이컴(40)으로 출력하여 바이어스 전원을 차단시킨다.

한편, 본 발명은 내부 온도를 제어하는 온도제어장치가 포함된 챔버에서 테스트 실행되며, 상기 컴퓨터(50)는 상기 온도제어장치를 제어하여 테스트 환경을 제어하는 것이 바람직하다.

상기 마이컴(40)에는 타이머가 내장되어 입력신호의 시간 기록을 실행시키도록 한다.

이에 의하여, 동일 시험소자에 대해 누설전류와 전기적 특성 파라미터에 의한 릴레이 차단신호가 발생되는 경우, 상기 마이컴(40)에서 우선적으로 릴레이를 차단시키는 것이 바람직하다.

이에 의할 경우, 반도체 분석기(300)로 계측하여 불량을 판단하는 시간차이가 발생할 수 있으므로 마이컴(40) 내부에 타이머를 이용하여 이전 계측시간과 마이컴 내부의 시간을 더하여 정확한 불량시간을 계산하는 것이 바람직하다.

상기의 각 릴레이는 시험소자의 정격에 따라 다르겠지만 일반적으로 높은 절연전압(>1kV)을 갖는 릴레이를 사용하는 것이 좋다.

또한, 측정장비 및 파워 서플라이와 시험소자 간의 완전한 절연을 위해 접지에도 릴레이를 연결할 수도 있다. 즉 절연이 필요한 경우는 추가 릴레이를 이용해 개방 상태를 만든다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 복수 개 연결되는 각 단위 테스트 지그(1)에 대하여 독립적으로 반도체 시험을 진행할 수 있으며, 시험 도중에 각 단위 테스트 지그(1)의 시험소자(10)에 독립적으로 전기적 특성 파라미터를 계측할 수 있고, 고장난 단위 테스트 지그(1)를 독립적으로 자동 분리해 낼 수 있는 장치를 제공하게 된다.

본 발명은 또한, 상기 반도체 소자 신뢰성 시험장치 구동방법을 제공한다.

이하의 반도체 소자 신뢰성 시험장치 구동방법은 마이컴의 펌웨어와 컴퓨터의 응용프로그램에서 구현할 수 있다.

이에 대하여 도 5와 함께 살펴보면, 우선, 제1 정밀 파워서플라이(100), 제2 정밀 파워서플라이(200), 반도체 분석기(300), 제1-1 릴레이(10-11), 제1-2 릴레이(10-12) 및 제2-1 릴레이(10-21), 제2-2 릴레이(10-22)를 off 시킨 초기화 상태에서 챔버의 온도를 설정하는 단계(S1)가 실행된다.

상기 단계(S1)는 전체 시스템에 대한 초기화를 수행하는 단계로서, 제1 정밀 파워서플라이(100)와 제2 정밀 파워서플라이(200) 전압을 0V로 설정하고 출력을 차단하며, 온도제어장치에 속하는 오븐의 온도를 실온으로 설정하고, 각 릴레이()들은 개방상태가 되도록 만들어 바이어스 스트레스 및 계측이 이루어지지 않도록 하는 시험 대기 상태이며, 이 단계에서 마이컴(40) 보드의 타이머나 각종 GPIO 포트들을 초기화시킨다.

단계(S2)는 마이컴(40)으로 각 단위 테스트 지그(1)의 시험소자(10) 테스트 목적에 따라 제1 전극(10-1) 및/또는 제2 전극(10-2)에 바이어스 전원을 인가시키는 제어명령을 출력시키는 단계이다.

상기 단계(S2)에서는 컴퓨터(50)에서 챔버의 온도를 시험온도로 상승시키도록 명령한다.

예를 들어 전력반도체의 경우 사양서에서 명시한 온도 150도 혹은 175도 등으로 챔버온도를 설정하고 컴퓨터(50)에서는 온도정보를 모니터링하여 목표온도에 도달 후 설정된 지연시간을 지나거나 온도 안정화 조건을 만족하면 목표온도에 도달한 것으로 판단하고 마이컴(40)에 명령을 내려 각 단위 테스트 지그(1)의 제1-1 릴레이(10-11) 및/또는 제2-1 릴레이(10-21)들이 제1 전극(10-1) 및/또는 제2 전극(10-2)에 바이어스 스트레스를 인가할 수 있도록 한다.

이에 관한 일실시예로서, 고온 게이트 바이어스(HTGB : High Temperature Gate Bias)의 경우 시험소자(10)의 제1 전극(10-1)과 연결된 제1 정밀 파워서플라이(100)를 통해 시험에서 명시된 바이어스 스트레스를 인가하고 제2 전극(10-2)에 연결된 파워 서플라이는 접지가 되도록 만든다.

고온 역방향 바이어스(HTRB : High Temperature Reverse Bias)의 경우 상기 HTGB와 반대로 제1 전극(10-1) 및 제2 전극(10-2)을 설정한다.

이때 바이어스는 순차적으로 공급하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 정해진 시간 간격으로 바이어스를 순차적으로 높여 목표전압에 도달하도록 만드는 것이 좋다.

단계(S3)는 상기 마이컴(40)에서 각 단위 테스트 지그(1)의 누설전류 측정값과 미리 설정된 허용전류값을 비교하는 단계이다.

상기 단계(S3)에서는 각 단위 테스트 지그(1)의 전류센싱회로(30)를 통해 측정된 누설전류를 마이컴(40)에서 전달받아 디지털 신호로 변환하고 변환된 누설전류 측정값을 불량 판별을 위한 허용전류값과 비교한다.

상기 단계(S3)에서 누설전류가 갑자기 증가하는 이른바 돌출 노이즈(spike noise)가 발생하는 경우 불량 발생이 아님에도 불구하고 불량으로 판단하는 오류가 발생할 수 있으므로 후술하는 단계(S7)에서의 전기적 특성 파라미터 계측을 통해 바이어스 스트레스 차단에 대한 최종결정을 유보할 수도 있다.

즉 일단 불량으로 판단하고 릴레이를 열어 바이어스를 차단한 후 후술하는 단계(S8)의 판단 내용에 따라 릴레이의 개폐상태를 최종 판단할 수 있다.

상기 돌출 노이즈로 인한 불량 판단 오류를 막기 위한 또 다른 방법은 마이컴에서 일정 간격으로 누설전류를 측정하여 설정된 횟수 이상 연속적으로 불량 판단이 발생하면 최종불량으로 판단하는 방법이 있다.

단계(S4)는 상기 누설전류 측정값이 허용전류값 보다 크거나 같은 단위 테스트 지그(1)가 발생되는 경우 해당 단위 테스트 지그(1)의 바이어스 전원을 차단시키는 단계이다.

상기 단계(S4)에서는 상기 단계(S3)에서 누설전류 측정값이 허용전류값 보다 크거나 같게 나타나 불량 판별이 참으로 된 경우로서, 마이컴에서는 해당 단위 테스트 지그(1)의 릴레이 제어신호를 출력하여 바이어스 스트레스를 차단시킨다.

예를 들어, HTGB 시험인 경우 제2-1 릴레이(10-21)를 개방하고 HTRB 시험인 경우는 제1-1 릴레이(10-11)를 개방시키는 릴레이 제어신호를 출력시킬 수 있다.

단계(S4)에서 마이컴(40)은 해당 단위 테스트 지그(1)의 불량정보(누설전류, 불량이 발생한 스트레스 경과 시간)를 컴퓨터(50)로 전달하는 것이 바람직하다.

상기 단계(S4)에서는 도 5에서 보여지는 바와 같이 불량 판별된 해당 단위 테스트 지그(1)에서는 최종 시험 종료되며, 나머지 정상상태의 단위 테스트 지그(1)에서는 시험이 계속 진행된다.

단계(S5)는 누설전류 측정값이 허용전류 설정값 보다 작은 경우, 측정시간과 미리 설정된 파라미터계측시간을 비교하는 단계로서, 상기 파라미터계측시간은 반도체 분석기에서 각 단위 테스트 지그의 전기적 특성파라미터를 측정하는 시간주기이다.

단계(S6)는 상기 측정시간이 파라미터계측시간보다 작은 경우에는 상기 단계(S3)로 복귀하여 누설전류 측정값과 미리 설정된 허용전류값을 반복 비교되게 하는 단계이다.

즉, 단계(S6)는 시험소자(10)에 정상적 시험이 진행되는 과정이며, 반도체 분석기(300)에서 해당 단위 테스트 지그(1)의 전기적 특성파라미터를 측정하는 파라미터계측시간에 도달되지 않은 단계이다.

단계(S7)은 측정시간이 파라미터계측시간보다 같거나 큰 경우에 각 단위 테스트 지그(1)의 제1-2 릴레이(10-12) 및/또는 제2-2 릴레이(10-22) 접점 제어명령을 출력시켜, 반도체 분석기(300)에서 각 단위 테스트 지그(1)의 전기적 특성파라미터가 측정되게 하는 단계이다.

단계(S7)에서 반도체 분석기(300)를 사용하여 시험소자(10)의 다양한 전기적인 특성을 측정하는데, 다수 개의 단위 테스트 지그(1)에 대해 시험할 경우 전체 테스트 시간을 정확하게 계산하기 위해 모든 시험소자(10)의 바이어스를 차단한 후 계측을 수행할 수도 있다.

만약 온도 스트레스까지 정확하게 반영할 경우 각 시험소자(10)에 대해 총 스트레스 시간을 별도로 계산하여 측정이 끝나면 제1-1 릴레이(10-11) 및/또는 제2-1 릴레이(10-21)를 통해 바이어스 스트레스를 개별적으로 인가할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 단계(S7)에서 각 단위 테스트 지그(1)의 파라미터계측시간 도달시 각 단위 테스트 지그(1)에 제1-2 릴레이(10-12) 및/또는 제2-2 릴레이(10-22) 제어명령이 순차입력되도록 설정할 수도 있다.

이는 반도체 분석기(300)가 한 가지의 특성을 측정하는 시간 속에는 계측 시스템 초기화 시간이 필요하므로, 복수 개의 단위 테스트 지그(1)에서 다양한 전기적 특성 파라미터를 측정하는 경우, 도 4에서 보여지는 바와 같이 하나의 특성 파라미터 측정에 대해 각 단위 테스트 지그(1)에 있는 릴레이의 연결을 시간(t1, t2....수)에 따라 바꾸어 가면서 측정을 끝내고 다음 특성을 측정하는 방식으로 수행하는 것이 테스트 시간을 절약하는데 도움이 되기 때문이다.

단계(S7)에서 반도체 분석기(300)는 컴퓨터(50)로 각 단위 테스트 지그별 측정된 전기적인 특성 파라미터를 보고한다.

단계(S8)은 컴퓨터에서 단계(S7)에서 실행되며, 다양한 전기적 특성 파라미터 측정을 통해 추출한 파라미터, 예를 들면 문턱전압, 턴온저항, 캐패시턴스 등의 계측값을 이용하여 시험소자의 불량유무를 판단하는 단계이다.

즉, 단계(S8)는 컴퓨터(50)에서, 반도체 분석기(300)에서 측정된 전기적인 특성 파라미터를 미리 설정된 전기적 특성 파라미터와 비교 판단하는 단계이다.

단계(S9)는 측정된 전기적 특성파라미터가 미리 설정된 파라미터를 초과하는 단위 테스트 지그(1)가 발생되는 경우, 해당 단위 테스트 지그(1)의 바이어스 전원을 차단시키는 단계이다.

단계(S9)에서도 실제 불량시간과 시간차가 발생할 수 있으므로 마이컴(40) 보드 내부에 설치된 타이머를 이용하여 이전 계측시간과 마이컴 보드 내부의 시간을 더하여 정확한 불량시간을 계산하는 것이 바람직하다.

상기 단계(S9)는 컴퓨터(50)에서 측정된 전기적인 특성 파라미터가 미리 설정된 전기적 특성 파라미터 보다 같거나 큰 경우 불량 상태로 판단하는 단계로서, 이와 같은 불량판단은 설정된 전기적 특성 파라미터마다 실행이 되기 때문에, 단계(S8)과 단계(S9) 실행 중 누설전류에 의한 소자불량이 발생하면 치명적일 수 있다.

따라서, 본 발명은 누설전류에 의한 소자불량이 발생되면 상기 마이컴(40)에서 우선적으로 제1-1 릴레이(10-11) 및/또는 제2-1 릴레이(10-21)를 차단하는 것이 바람직하다.

이를 위하여 본 발명의 상기 단계(S2) 이후에 단계(S3)과 상기 단계(S5) 내지 단계(S8)는 병행 실시되어 누설전류에 의한 소자불량과 전기적 특성 파라미터에 의한 소자 불량이 동시에 감시되게 하는 기능을 포함할 수 있으며, 누설전류에 의한 소자불량과 전기적 특성 파라미터에 의한 소자 불량 중 어느 하나라도 발생되면 시험소자에 바이어스 인가를 중단시킬 수 있게 하며, 누설전류에 의한 소자불량이 발생되면 상기 마이컴(40)에서 우선적으로 제1-1 릴레이(10-11) 및/또는 제2-1 릴레이(10-21)를 차단하는 것이 바람직하다.

단계(S10)은 측정된 전기적인 특성 파라미터가 미리 설정된 전기적 특성 파라미터 보다 작은 경우 정상 상태로 판단하는 단계이다.

단계(S10)에서는 전기적 특성파라미터가 미리 설정된 파라미터를 초과하지 않는 경우, 전체 바이어스 스트레스 시간이 미리 설정된 시험시간값을 초과하는지를 판단한다.

단계(S11)은 전체 바이어스 스트레스 시간이 미리 설정된 시험시간값을 초과하지 않는 경우, 상기 단계(S3)로 복귀하여 누설전류 측정값과 미리 설정된 허용전류값을 반복 비교되게 하는 단계로서, 전체 바이어스 스트레스 시간이 미리 설정된 시험시간 이내에서 계속 실행되게 하는 단계이다.

단계(S12)는 전체 바이어스 스트레스 시간이 미리 설정된 시험시간값을 초과하는 경우, 각 단위 테스트 지그의 시험을 종료하는 단계이다.

단계(S12)에서는 모든 릴레이를 개방하여 바이어스를 제거하고 파워 서플라이 전압을 0V로 만들고 챔버온도를 실온으로 낮추어 테스트를 종료한다.

상기한 본 발명에 의하면 복수 개의 반도체 소자에 대하여 신뢰성 시험을 동시 실행할 수 있으며, 시험 과정에서 온라인 상태로 복수 개의 시험소자의 다양한 전기적 특성을 독립적으로 계측할 수 있으며, 각 단위 테스트 지그 별로 작동 제어가 가능하므로 전체 신뢰성 시험시간을 감소시키며 시험 과정에서 발생한 불량을 쉽게 확인하고 분리할 수 있는 이점이 있다.

이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 도면은 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예로서 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

1 : 단위 테스트 지그
10 : 시험소자
10-1 : 제1 전극
10-11 : 제1-1 릴레이 10-12 : 제1-2 릴레이
10-2 : 제2 전극
10-21 : 제2-1 릴레이 10-22 : 제2-2 릴레이
10-3 : 제3 전극
30 : 전류센싱회로
40 : 마이컴
100 : 제1 정밀 파워서플라이
200 : 제2 정밀 파워서플라이
300 : 반도체 분석기

Claims

전력반도체 소자의 신뢰성시험을 위한 시험소자의 제1 전극에 전원 스트레스를 공급하는 제1 정밀 파워서플라이와;
제 2전극에 전원 스트레스를 공급하는 제2 정밀 파워서플라이와;
상기 제1 전극과 제1 정밀 파워서플라이 사이에 연결되는 제1-1 릴레이와;
상기 제2 전극과 제2 정밀 파워서플라이 사이에 연결되는 제2-1 릴레이와;
상기 제1 전극과 제1-2 릴레이로 연결되고, 상기 제2 전극과 제 2-2 릴레이로 연결되어, 반도체 시험 중 시험소자의 전기적 특성 파라미터를 계측하는 반도체 분석기와;
상기 시험소자의 제3 전극에 연결되어 상기 시험소자의 누설전류를 측정하는 전류센싱회로와;
상기 전류센싱회로의 측정 누설전류를 통해 기준 설정값 이상의 전류가 흐르면 상기 제1-1 릴레이 및/또는 제1-2 릴레이에 접속 차단신호를 전달하는 마이컴과;
상기 마이컴와 통신 연결되어 상기 마이컴에 릴레이 제어정보를 전달시키는 컴퓨터를;
포함하여 구성되며,
상기 시험소자와; 시험소자의 제1 전극에 연결되는 제1-1, 제1-2 릴레이; 제2 전극에 연결되는 제2-1, 제2-2 릴레이; 제3 전극에 연결되는 전류센싱회로로 형성되는 단위 테스트 지그 및
복수 개의 단위 테스트 지그를 상기 제1 정밀 파워서플라이와 제2 정밀 파워서플라이 및 마이컴에 병렬 연결시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치.
제1항에 있어서 상기 컴퓨터는
상기 제1 정밀 파워서플라이, 제2 정밀 파워서플라이 및 반도체 분석기와 연결되어 작동 제어시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치.
제2항에 있어서 상기 컴퓨터는
상기 반도체 분석기에서 측정된 단위 테스트 지그의 전기적 특성 파라미터가 미리 설정된 전기적 특성 파라미터 이상이 되면, 해당 단위 테스트 지그의 릴레이 제어정보를 출력하여 해당 단위 테스트 지그에 바이어스 전원을 차단시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치.
제3항에 있어서 상기 마이컴은
상기 컴퓨터의 릴레이 제어정보와 상기 전류센싱회로의 센싱정보 중 어느 하나가 입력되면 상기 제1-1, 제2-1 릴레이에 off 신호를 출력시켜 해당 단위 테스트 지그에 바이어스 전원을 차단시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치.
제4항에 있어서 상기 마이컴에는
타이머가 내장되어 테스트 시간 기록이 실행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치.
제5항에 있어서 상기 반도체 소자 신뢰성 시험장치는
내부 온도를 제어하는 온도제어장치가 포함된 챔버에서 테스트 실행되며,
상기 컴퓨터는 상기 온도제어장치를 제어하여 테스트 환경을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치.
상기 제6항의 반도체 소자 신뢰성 시험장치 구동방법으로서,
제1 정밀 파워서플라이, 제2 정밀 파워서플라이, 반도체 분석기, 제1-1, 제1-2 릴레이 및 제2-1, 제2-2 릴레이를 off 시킨 초기화 상태에서 챔버의 온도를 설정하는 단계(S1)와;
마이컴로 각 단위 테스트 지그 시험소자의 제1 전극 및/또는 제2 전극에 바이어스 전원을 인가시키는 제어명령을 출력시키는 단계(S2)와;
상기 마이컴에서 각 단위 테스트 지그의 누설전류 측정값과 미리 설정된 허용전류값을 비교하는 단계(S3)와;
상기 누설전류 측정값이 허용전류값 보다 크거나 같은 단위 테스트 지그가 발생되는 경우 해당 단위 테스트 지그의 바이어스 전원을 차단시키는 단계(S4);
누설전류 측정값이 허용전류 설정값 보다 작은 경우, 측정시간과 미리 설정된 파라미터계측시간을 비교하는 단계(S5);
측정시간이 파라미터계측시간보다 작은 경우에는 상기 단계(S3)로 복귀하여 누설전류 측정값과 미리 설정된 허용전류값을 반복 비교되게 하는 단계(S6)
측정시간이 파라미터계측시간보다 같거나 큰 경우에 각 단위 테스트 지그의 제1-2 릴레이 및/또는 제2-2 릴레이 제어명령을 출력시켜, 반도체 분석기에서 각 단위 테스트 지그의 전기적 특성파라미터가 측정되게 하는 단계(S7);
전기적 특성파라미터와 미리 설정된 파라미터를 비교하는 단계(S8)
전기적 특성파라미터가 미리 설정된 파라미터를 초과하는 단위 테스트 지그가 발생되는 경우 해당 단위 테스트 지그의 바이어스 전원을 차단시키는 단계(S9)
전기적 특성파라미터가 미리 설정된 파라미터를 초과하지 않는 경우, 전체 바이어스 스트레스 시간이 미리 설정된 시험시간값을 초과하는지를 판단하는 단계(S10);
전체 바이어스 스트레스 시간이 미리 설정된 시험시간값을 초과하지 않는 경우, 단계(S3)로 복귀하여 누설전류 측정값과 미리 설정된 허용전류값을 반복 비교되게 하는 단계(S11);
전체 바이어스 스트레스 시간이 미리 설정된 시험시간값을 초과하는 경우, 각 단위 테스트 지그의 시험을 종료하는 단계(S12);를
포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치 구동방법.
제7항에 있어서 상기 단계(S5)에서
각 단위 테스트 지그의 파라미터계측시간은 각 단위 테스트 지그의 제1-2 릴레이 및/또는 제2-2 릴레이가 상기 반도체 분석기에 순차 연결되도록 독립 설정되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치 구동방법.
제7항에 있어서
상기 단계(S4)와 상기 단계(S9)의 바이어스 전원 차단은
상기 단계(S4)와 상기 단계(S9)가 동시에 실행될 때 수행되어 누설전류가 갑자기 증가하는 돌출 노이즈(spike noise)에 대비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치 구동방법.
제7항에 있어서
상기 단계(S4)의 바이어스 전원 차단은 상기 마이컴에 설정된 횟수 이상 연속적으로 불량 판단이 발생되는 것을 조건으로 실행되어 누설전류가 갑자기 증가하는 돌출 노이즈(spike noise)에 대비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 신뢰성 시험장치 구동방법.